《传感器与检测技术》课件01开关检测.pptx

项目一 开关量检测 任任 务 一一认识接近开关接近开关 霍尔效应霍尔效应是霍尔(Hall)24岁时在美国霍普金斯大学研究生期间，研究关于载流导体在磁场中的受力性质时发现的一种现象在长方形导体薄板.上通以电流，沿电流的垂直方向施加磁场，就会在与电流和磁场两者垂直的方向上产生电势差，这种现象称为霍尔效应，所产 生 的 电 势 差 称 为 霍 尔 电 压 长时期以来，霍尔效应是在室温和中等强度磁场条件下进行实验的在霍尔效应发现100年后，1980年，德国物理学家克利青(KlausvonKlitzing)在研究极低温和强磁场中的半导体时，发现在低温条件下半导体硅的霍尔效应不是常规的那种直线，而是随着磁场强度呈跳跃性的变化，这种跳跃的阶梯大小由被整数除的基本物理常数所决定这是当代凝聚态物理学令人惊异的进展之一，这在后来被称为整数量子霍尔效应由于这个发现，克利青在1985年获得了诺贝尔物理奖霍尔效应应被发现100多年以来，它的应用发展经历了三个阶段:第一阶段:从霍尔效应的发现到20世纪40年代前期最初由于金属材料中的电子浓度很大而霍尔效应十分微弱所以没有引起人们的重视这段时期也有人利用霍尔效应霍尔效制成磁场传感器，但实用价值不大,到了1910年有人用金属铋制成霍尔元件，作为磁场传感器。

但是，由于当时未找到更合适的材料，研究处于停顿状态第二阶段:从20世纪40年代中期半导体技术出现之后，随着半导体材料、制造工艺和技术的应用，出现了各种半导体霍尔元件，特别是锗的采用推动了霍尔元件的发展，相继出现了采用分立霍尔元件制造的各种磁场传感器第三阶段;自20世纪60年代开始，,随着集成电路技术的发展，出现了将霍尔半导体元件和相关的信号调节电路集成在一起的霍尔传感器进入20世纪80年代，随着大规模超大规模集成电路和微机械加工技术的进展，:霍尔元件从平面向三维方向发展，出现了三端口或四端口固态霍尔传感器，实现了产品的系列化、加工的批量化、体积的微型化霍尔集成电路出现以后，很快便得到了广泛应用一、霍尔效应型接近开关霍尔效应型接近开关是将检测磁性物体的霍尔效应元器件集成至一个传感器继电器中由于普通情况下磁场很难自然生成,所以这种传感器检测灵敏且很少产生误报现象但是,霍尔效应型接近开关只能检测磁性物体霍尔效应型接近开关具有无触点、无磨损、无火花、低功耗、寿命长敏度高、工作频率高等特点,能在各种恶劣环境下可靠稳定地工作霍尔效应的产生是运动电荷在磁场作用下受到洛仑兹力作用的结果如图1-2所示,把N型半导体薄片放在磁场中,通以固定方向的电流i(从a点至b点),那么半导体中的载流子(电子)将沿着与电流方向相反的方向运动。

从物理学上讲,任何带电质点在磁场中沿磁力线垂直方向运动时,均受到磁场力的作用,这个力又称为洛伦兹力1.霍尔效应由于洛伦兹力,电子向一边偏移,并形成电子积累,而另一图1-2霍尔效应边则积累正电荷,于是形成了电场该电场将阻止运动电子继续偏移,当电场力与洛伦兹力相等时,电子的积累便达到了动态平衡这时元件c、d两端之间建立的电场称为霍尔电场,相应的电动势称为霍尔电动势1.霍尔效应1.霍尔效应 霍霍尔常常数数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率的乘积若要霍尔效应强,则希望有较大的霍尔常数,因此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率一般金属材料载流子迁移率很高,但电阻率很小;而绝缘材料电阻率极高,但载流子迁移率极低,故只有半导体材料才适于制造霍尔片目前常用的霍尔元件材料有锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料其中N型锗容易加工制造,其霍尔常数、温度性能和线性度都较好N型硅的线性度最好,其霍尔常数、温度性能同N型锗锑化铟对温度最敏感,尤其在低温范围内温度系数大,但在室温时其霍尔常数较大砷化铟的霍尔常数较小,温度系数也较小,输出特性线性度好教学视频霍尔效应霍尔元件是根据霍尔效应,用半导体材料制成的元件,一般具有对磁场敏感、结构简单、输出电压变化较大及寿命长等优点。

其可分为线性霍尔元件和开关型霍尔元件两种霍尔元件的结构简单,由霍尔片、四根引线和壳体组成,其结构示意如图1-3(a)所示在电路中,霍尔元件一般可用两种符号表示,如图1-3(b)所示霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片,引出四根引线:1、1两根引线加激励电压或电流,称为激励电极(或控制电极);2、2引线为霍尔输出引线,称为霍尔电极霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装的图1-3霍尔元件2.霍尔元件通常,霍尔电动势的转换效率比较低,为了获得更大的霍尔电动势输出,可以将若干个霍尔元件串联起来使用而在霍尔元件输出信号不够大的情况下,可以采用运算放大器对霍尔电动势进行放大,如图1-4所示当然,最好还是采用集成霍尔传感器图1-4霍尔电动势的放大2.霍尔元件2.霍尔元件如图1-5所示为一种微型的霍尔集成传感器,正面为敏感面,导线由金属薄片制成,各个金属薄片上均附有半导体结晶片(通常为硅芯片),而在结晶片中利用集成电路技术形成霍尔组件及信号处理电路为防止整个组件性能的劣化,通常利用树脂加以封闭;为了方便施加磁场,其厚度也尽量减薄这种霍尔元件可置于传感模块中,实现各种无接触传感器功能只要磁感应强度与霍尔元件正面的夹角小于90,当磁场接近霍尔元件时,磁场信号转换成电气信号。

此信号经在同一元件中的信号处理电路放大后,取出信号电压,需要注意的是,由于半导体材料的温度特性有较大的非线性如果需要较高精度的检测,可采用差动检测法,选用两个霍尔元件串联使用的结晶片作为传感器3.霍尔元件的性能参数1） 额定激励电流使霍尔元件温升10时所施加的激励电流称为额定激励电流以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流因霍尔电动势随激励电流增加而线性增加,所以使用中希望选用尽可能大的激励电流以获得较高的霍尔电动势输出但是由于受到最大允许温升的限制,可以通过改善霍尔元件的散热条件,使激励电流增加2）灵敏度KH霍尔元件在单位磁感应强度和单位激励电流作用下的空载霍尔电动势值,称为霍尔元件的灵敏度(即霍尔常数)3）输入电阻和输出电阻霍尔元件激励电极间的电阻值称为输入电阻霍尔电极输出电动势对电路外部来说相当于一个电压源,其电源内阻即为输出电阻以上电阻值是在磁感应强度为零,且环境温度在205时所确定的4）不等位电动势当磁感应强度为零,霍尔元件的激励电流为额定值时,则其输出的霍尔电动势应该为零,但实际不为零,用直流电位差计可以测得空载霍尔电动势,这时测得的空载霍尔电动势称为不等位电动势。

产生不等位电动势的主要原因如下1)霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上2）半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀(3)激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等3.霍尔元件的性能参数霍尔开关是在霍尔效应原理的基础上,利用集成封装和组装工艺制作而成的,可把磁输入信号转换成实际应用中的电信号,同时具备工业场合实际应用易操作和可靠性的要求霍尔开关的输入端是以磁感应强度B来表征的,当磁感应强度达到一定值后,霍尔开关内部的触发器翻转,霍尔开关的输出电平状态也随之翻转霍尔开关的外形如图1-6所示,当有磁性物体或者电磁场与图1-6中左下方的敏感端接近至一定距离时,信号灯亮,输出电平发生翻转霍尔开关输出端采用晶体管输出,主要类型有NPN型、PNP型、常开型、常闭型、锁存型(双极性)和双信号输出型等NPN型与PNP型传感器的接线方式如图1-7所示,有三条引出线,即电源线VCC、0V线和OUT信号输出线(标识黑的引出端口)OUT线断开图1-6 霍尔开关图1-7NPN型和PNP型传感器的接线方式4.霍尔开关1)霍尔式位移传感器霍尔元件具有结构简单、体积小、动态特性好和寿命长的优点,它不仅用于磁感应强度、有功功率及电能参数的测量,也在位移测量中得到广泛应用。

如图1-8所示为一些霍尔式位移传感器的工作原理如图1-8(a)所示为磁感应强度相同的两块永久磁铁,同极性相对地放置,霍尔元件处在两块磁铁的中间由于磁铁中间的磁感应强度B=0,因此霍尔元件输出的霍尔电动势UH也等于零,此时位移x=05.霍尔传感器的应用图1-8(b)所示的是一种结构简单的霍尔位移传感器,是由一块永久磁铁组成磁路的传感器,在霍尔元件处于初始位置x=0时,霍尔电动势UH不等于零图1-8(c)所示的是一个由两个结构相同的磁路组成的霍尔式位移传感器,为了获得较好的线性分布,在磁极端面装有极靴,霍尔元件调整好初始位置时,可以使霍尔电动势UH=02)霍尔式转速传感器图1-9所示的是几种霍尔式转速传感器的结构转盘的输入轴与被测转轴相连,当被测转轴转动时,转盘随之转动,固定在转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲,检测出单位时间的脉冲数,便可知被测转速根据磁性转盘上小磁铁的数目就可确定传感器测量转速的分辨率1输入轴;2转盘;3小磁铁;4霍尔传感器图1-9几种霍尔式转速传感器的结构5.霍尔传感器的应用3)霍尔计数装置霍尔开关传感器SL3501是具有较高灵敏度的集成霍尔元件,能感受到很小的磁场变化,因而可对黑色金属零件进行计数检测。

如图1-10所示的是对钢球进行计数的工作示意图和电路图当钢球通过霍尔开关传感器时,传感器可输出峰值20mV的脉冲电压,该电压运算放大,器(A741)放大后,驱动半导体三极管VT(2N5812)工作,输出端便可接计数器进行计数并由显示器显示检测数值5.霍尔传感器的应用光电效应开关属于光电式传感器的一种光电式传感器就是将光信号转换成电信号的一种器件,简称光电器件要将光信号转换成电信号,必须经过两个步骤:一是先将非电量的变化转换成光量的变化;二是通过光电器件的作用,将光量的变化转换成电量的变化这样就实现了将非电量的变化转换成电量的变化光电效应型接近开关是利用光电效应原理将光学量转换为电量的一种检测控制器件,是利用被检测物对光束的遮挡或反射,由光敏元件控制电路通断,从而检测物体有无被检测物体不限于金属,所有能反射光线的物体均可被检测但是光电效应型接近开关对于环境的依赖性较强,在不良光学环境下容易产生错误信号光电效应型接近开关教学视频光电式传感器工作原理光照射到某些物质上,引起物质的电性质发生变化,这类光致电变的现象统称为光电效应,如图1-11所示更确切地讲,光电效应是指金属表面在光辐射作用下发射电子的效应,发射出来的电子称为光电子。

光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏打效应三种第一种现象发生在物体表面,称为外光电效应;后两种现象发生在物体内部,称为内光电效应光电现象是1887年赫兹在试验研究麦克斯韦电磁理论时偶然发现的1888年,德国物理学家霍尔瓦克斯证实光电效应是由于在放电间隙内有电荷出现的缘故图1-11光电效应1.光电效应光电管的典型结构如图1-12所示它由玻璃壳、两个电极(光电阴极K和阳极A)、引出插脚等组成光电管将球形玻璃壳抽成真空,在内半球面上涂上一层光电材料作为阴极K,球心放置小球形或小环形金属作为阳极A阴极K受到光线照射时便发射电子,电子被带正电位的阳极A吸引,朝阳极A方向移动,这样就在光电管内产生了电子流,从而在外电路中产生了电流2.光电管如图1-13所示为真空光电管的伏安特性曲线,如图1-14所示为充气光电管的伏安特性曲线通过观察这两种伏安特性曲线,在阳极电压的一段范围内,阳极电流不随阳极电压的变化而变化,达到了比较稳定的饱和区这就是光电管的工作静态点选择光电管的工作参数点时,就应选在光电流与阳极电压无关的区域内图1-13真空光电管的伏安特性曲线图1-14充气光电管的伏安特性曲线2.光电管图1-15光电倍增管的典型结构和工作原理光电倍增管是一种常用的灵敏度很高的光探测器,它是把微弱光信号转变成电信号且进行放大的器件。

光电倍增管的典型结构和工作原理如图1-15所示光电倍增管主要由光阴极K、阳极A、倍增极D、引出插脚等组成,并根据要求采用不同性能的玻璃壳进行真空封。